通过更严格的政府监督来减少气候变化的排放

随着对气候变化和空气污染物影响的认识加深，各国政府不断制定更严格的排放法规。对于基础设施老化的工业设施来说，这是一个特别的挑战，他们不仅要在不断变化的监管环境中进行创新，同时最大限度地减少停机和改造。作为在这一领域拥有丰富知识的管理者，我们如何帮助客户适应和成长，同时追求一个更美好、更绿色的世界?

了解各种排放的形成和影响对于有效地处理它们很重要。

三种常见的燃烧污染物对环境特别有害:未燃烧的碳氢化合物、颗粒物和氮氧化物(NOx)。

图1:以天然气为燃料的典型锅炉废气的组成

未燃烧的碳氢化合物，主要以甲烷的形式，从不完全燃烧中释放出来，与二氧化碳(CO2)相比，对全球变暖的影响约为30倍。妥善维护的固定燃烧设备(即发电厂、工业锅炉、燃气轮机等)通常不会排放大量甲烷。

颗粒物质，主要是煤烟和灰，因其对健康的影响和能见度而受到更多关注，但也是全球变暖的一个重要因素。灰是燃料中含有的不可燃物质，而煤烟是由气相有机反应形成的非常细的颗粒。它们主要来自固体和液体燃料，包括车用柴油和汽油发动机。大量的冰沉淀在地球两极的冰帽上，以黑体的形式吸收太阳的热量，加速冰川融化。

氮氧化物，或NOx，在燃烧过程中从空气中自然形成。然而，它们也是烟雾的关键组成部分，对全球变暖的影响是二氧化碳的300倍。NOx主要是由空气中的氮在靠近火焰的高温区域内发生反应时的热反应和固体燃料中常见的燃料结合氮形成的。

鉴于氮氧化物在各种燃烧应用和燃料类型中无处不在，目前正面临着最严格的监管审查，所有排放者都面临着越来越大的减少氮氧化物排放的压力。

本文讨论了三种常见的NOx控制技术，但还有许多其他可用的解决方案，包括进入市场的新技术。同样重要的是要记住，没有“一刀切的解决方案”，因为每个设施都面临着自己独特的挑战和限制。

为了选择最佳的氮氧化物控制技术，需要进行具体的研究。工厂的运行情况、设备、最终产品、法规遵从性、剩余寿命、公用事业的可用性和效率都影响技术选择。选择正确的技术可以在设施的长期运行中提供显著的经济效益。

资料来源:奥兰，c.b.，橡树岭国家实验室，《低排放锅炉和燃烧设备选择指南》，ORNL/ tm -2002/ 19,2002，https://compressortech2.com/siemens-secures-fpso-compression-train-order/
图2:最常见的动力燃烧系统——水管锅炉和工业燃气轮机的横截面图

(1)。低NOx燃烧器

在过去的几十年里，低NOx燃烧器(LNBs)已经成为锅炉和燃气轮机的标准设备，可以与任何燃料一起使用。LNBs精确控制燃烧动力学、化学性质和火焰形状，以减少火焰附近高温区域和燃料本身形成的NOx。LNBs的一种常用控制策略是分段喷射燃料和/或空气，以扩大火焰，降低燃烧强度和温度。分段燃料还可以形成丰富(过量燃料)燃烧的口袋，这对于控制燃料结合的氮中的氮氧化物特别有效。此外，精确的燃烧控制意味着一些低NOx燃烧器可以使用更少的多余空气，有助于提高整体效率。

来源:https://www.johnzinkhamworthy.com/products-applications/burners/而且https://www.zeeco.com/burners/burners-process-glsf-fj-combo.php
图3:用于锅炉系统的天然气低NOx燃烧器设计，由两家主要制造商生产

低NOx燃烧器(与不受控燃烧相比)可减少约60%的NOx，与锅炉系统中的烟气再循环结合时可减少高达90%的NOx。低NOx燃烧器在燃烧天然气(无燃料结合的氮气)时通常足以满足许多司法管辖区的NOx法规，并且容易达到低于50ppm。在特殊工程应用中，低于10ppm的NOx是可能的。
可能需要对现有锅炉中的LNBs进行改造，但它们通常是一种非常具有成本效益的选择，而且实施起来更快。此外，燃烧器通常对其他排放和效率的影响可以忽略不计。

(2)。烟气再循环

烟气再循环(FGR)是锅炉中另一种广泛应用的NOx控制技术。FGR将大约10- 20%的烟道气(按质量计算)从烟囱中重新引入燃烧室，对于大多数燃料和燃烧技术都是有效的。FGR降低燃烧温度的作用是作为一个热沉，并迫使火焰膨胀的氧气从火焰区域。然后，由于反应氧浓度降低，NOx的形成将减少，并且其形成与温度呈指数关系。

资料来源:Bell, R.D. & Buckingham, f.p.，从燃烧装置中减少氮氧化物的技术概述。

图4:锅炉系统的FGR配置(左侧为诱导，右侧为强制)

FGR通常与其他控制机制一起使用，如低NOx燃烧器。单独使用FGR系统(与不受控制的燃烧相比)可以减少超过50%的NOx，如果与LNBs结合使用，还可以进一步减少NOx。随着FGR，一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物排放量将略有增加，锅炉效率也将下降，通常不到1%。FGR的一个优势是，如果未来的法规变得更加严格，可以增加额外的NOx减少量，但对效率的影响将是成比例的。

FGR安装可以采用诱导或强制配置。诱导式是指使用现有锅炉FD风机将烟气拉入风箱，而强制配置有一个较小的独立风机将高温烟气注入或喷射到风箱中。在任何一种情况下，烟道气和新鲜的燃烧空气必须在进入燃烧器之前充分混合。如果现有的FD风扇可以处理风箱增加的背压，那么强制安装作为改造可以更具成本效益。但从维护、混气、总耗电量等方面考虑，诱导型是较好的配置方式，因此绿地项目一般应采用诱导型。

FGR改造可以在几个方面影响锅炉。蒸汽和管道温度将趋于升高，可能会危及旧系统的完整性，现有燃烧器中的火焰稳定性可能会受到负面影响，特别是如果烟道气和新鲜空气没有完全混合进入燃烧器。因此，需要适当研究现有系统是否适合FGR改造。

(3)。选择性催化还原

选择性催化还原(SCR)是一种燃烧后NOx控制技术，适用于任何燃料或燃烧系统。scr是一种以催化剂为基础的系统，其中尿素或氨在催化剂之前注入烟气，在下游形成水和氮气。

来源:https://www.power-technology.com/projects/nacogdocheswoodfired/attachment/nacogdocheswoodfired3/
图5:锅炉用可控硅系统示意图

scr非常有效，可以减少95%以上的NOx排放，但scr的资本成本可能比LNBs或FGR高一个数量级。scr的运营成本也很高，因为除了购买反应剂外，每3到5年需要更换一次催化剂。由于催化剂上的压降以及氨/尿素注入网格的操作，系统的寄生负荷也会更高。最后，当使用较便宜的气体试剂(如氨)时，必须实施额外的安全预防措施，并进行适当的监测，因为这些化合物具有剧毒。

scr的主要优点，除了降低效率外，是在必要时抵消额外的压降，对其他燃烧排放或锅炉效率没有负面影响。scr通常用于燃煤电厂，因为它们有效地降低了NOx的高水平，并且系统可以处理高颗粒负荷。天然气等清洁燃料通常不需要scr。

结论

本出版物旨在作为初步的技术指南，向读者介绍常用的控制技术及其优缺点，但随着更多的选择和新系统的频繁出现，进行具体的现场评估以确定项目的最佳技术是很重要的。影响技术选择的因素很多，必须充分考虑，包括燃料类型、工厂设备的平衡、未来排放趋势/法规符合性、资本和运营成本以及维护要求。有了适当的专业知识，几乎总能达到客户满意的NOx法规合规性。

请注意，本文仅作为基于公共资源的典型安装的一般指南。每个站点都是独一无二的，因此结果可能不具有代表性。